Детектор ALICE изучает тонкие эффекты в рождении адронов

Рис. 1. Измеренный детектором ALICE средний поперечный импульс адронов, родившихся в протонных (p-p) и ядерных (Pb-Pb) столкновениях, а также в столкновении протонов и ядер свинца (p-Pb). Показано, как этот средний поперечный импульс зависит от количества родившихся адронов. Изображение из статьи arXiv:1307.1094

Как футбольный матч не состоит из одних лишь блистательных голов, так и прогресс в физике не исчерпывается одними только громкими открытиями. Гораздо чаще бывает так, что понимание свойств окружающего мира складывается из многочисленных работ, анализирующих малоприметные на первый взгляд и даже «скучные» данные. Вдобавок, такие результаты обычно трудно пересказать понятным для широкой публики языком, и потому им не уделяется того внимания, которое они заслуживают. Мы попробуем на примере одного из недавних исследований детектора ALICE на Большом адронном коллайдере дать представление о том, как осуществляется эта часть научной работы.

Сложные вопросы в физике элементарных частиц

В физике элементарных частиц есть, условно говоря, два класса сложных вопросов, сложных до такой степени, что их пока не получается по-настоящему решить. Первый класс — это вопросы о том, из чего состоит всё и почему оно построено именно так, вопросы о новых элементарных «кирпичиках» материи и взаимодействий. Второй класс — это вопросы о том, как получается так, что уже известные частицы приводят к такому многообразию явлений.

Если совсем кратко, то первый класс — это вопросы о сложном устройстве, но относительно простом взаимодействии, а второй класс — это вопросы о простом устройстве, но поразительно сложном взаимодействии.

Вопросы первого типа сейчас на слуху; сюда относится и изучение бозона Хиггса, и поиск суперсимметрии, и проверка Стандартной модели. LHC, будучи ускорителем протонов до рекордно больших энергий, как раз и был построен для их изучения. Ко второму типу относятся, например, вопросы о том, как кварки складываются в адроны и почему они вообще должны в них складываться (то есть почему не существуют свободные кварки). Для этих вопросов, казалось бы, LHC и не нужен, ведь те же задачи можно изучать и на ускорителях низких энергий.

Тем не менее эксперименты на Большом адронном коллайдере тоже помогают продвинуться в изучении этих вопросов. Один из самых удобных способов подступиться к ним — это изучить в деталях явление адронизации, то есть превращение разлетающихся кварков в адроны. Благодаря большой энергии столкновений на LHC, кварки и глюоны зачастую оказываются в таких необычных условиях, которые очень трудно получить при меньших энергиях. Это касается и протонных столкновений, и столкновений ядер свинца, и особого промежуточного варианта — протон-ядерных соударений, которые осуществлялись на коллайдере в самом начале 2013 года. Эти необычные условия позволяют взглянуть на образование и поведение адронов несколько иначе, чем в других экспериментах, и извлечь из этих наблюдений новые тонкие свойства сильных взаимодействий.

Такие исследования обычно считаются второстепенными, и в списке научных задач Большого адронного коллайдера им, как правило, уделяется мало внимания. Однако для большого раздела физики элементарных частиц они по-настоящему важны, и может также статься, что они пригодятся и для возможных практических применений (про них будет упомянуто в самом конце).

Изучение адронизации: результаты ALICE и их интерпретация

Детектор ALICE — один из четырех крупных детекторов Большого адронного коллайдера — создавался специально для изучения процессов, в которых рождается большое количество адронов. Его конструктивные особенности позволяют ему очень надежно отличать частицы друг от друга и аккуратно измерять их импульс, даже в условиях, когда другие детекторы начинают ошибаться. Детектор ALICE не гонится за суперсимметричными частицами или бозоном Хиггса, но он позволяет внимательно изучать поведение кварков и адронов. При этом он отлично работает во всех трех режимах работы LHC: при протон-протонных столкновениях (их для краткости обозначают просто «p-p»), при столкновениях ядер свинца друг с другом (Pb-Pb) и при несимметричных протон-ядерных столкновениях (p-Pb).

Главная задача детектора ALICE — изучить рождение адронов, во всех значениях этих слов. Эксперименту доступны самые разные характеристики этого процесса:

• глобальные свойства событий — сколько частиц родилось, какого типа это частицы, с каким импульсом они разлетаются, каково их угловое распределение, как это всё зависит от энергии и типа столкновений;
• корреляции частиц — парные корреляции, коллективные эффекты, дисбаланс адронных струй, гидродинамика адронной материи, и многое другое;
• «адронная микродиагностика» — что отдельные редкие частицы рассказывают о состоянии материи в первые мгновения после столкновения (см., например, новость Тяжелые мезоны по-разному плавятся в кварк-глюонной плазме).

Коллаборация ALICE занимается сразу всеми такими вопросами и регулярно публикует результаты исследований.

Возьмем одну конкретную величину — средний поперечный импульс рожденных адронов — и выясним, как она зависит от полного количества заряженных адронов, которые образовались в столкновении протонов. Этому исследованию была посвящена недавняя статья ALICE arXiv:1307.1094. Работа, казалось бы, довольно простая: детектируем все заряженные адроны, считаем их, измеряем их поперечный импульс, вычисляем среднее. Когда накопится много событий, берем все те из них, где родилось ровно N заряженных адронов, находим средний импульс уже по всей этой статистике, ставим точку на графике и повторяем для всех доступных значений N. Но это лишь техническая работа; вся интрига начнется при интерпретации данных и сравнении их с теоретическими результатами.

Данные детектора ALICE по изменению этой величины показаны на рис. 1. Здесь на едином графике отложено сразу три таких анализа: для p-p, p-Pb и Pb-Pb столкновений. Для чистоты эксперимента учитывались только адроны, вылетающие сильно вбок от оси пучков (область быстрот от –0,3 до 0,3) и имеющие поперечный импульс от 150 МэВ до 10 ГэВ. Благодаря большой статистике и точному измерению четко видны все тенденции: как средний импульс растет с ростом количества частиц и как он меняется при переходе от протонов к ядрам.

О чем именно рассказывают эти графики? Что из них можно узнать о процессе адронизации?

Для начала подметим три основные закономерности. Во-первых, средний импульс адронов постепенно растет с ростом числа рожденных частиц. Во-вторых, при переходе от протонов к ядрам средний импульс слегка уменьшается, а его зависимость от N становится более плоской. Наконец, несимметричные столкновения протонов с ядрами показывают вовсе не нечто среднее между протонами и ядрами, а, скорее, демонстрируют довольно резкое «переключение режима». Вначале их график хорошо повторяет протонный, но выше какого-то значения он уже «не тянет» и становится более плоским, как у ядерных столкновений.

Рис. 2. Адронизация — процесс превращения разлетающихся кварков в адроны (вид вдоль оси протонных пучков). Здесь схематично показаны последовательные стадии адронизации при столкновении двух протонов большой энергии: начальный раздел столкнувшихся кварков, возникновение силовой струны глюонного поля между ними, ее последующий разрыв и образование адронов. Чтобы не загромождать рисунок лишними деталями, кварки и антикварки тут изображены одинаково

Теперь попробуем понять, как эти закономерности можно объяснить. Начнем с более подробного описания адронизации в столкновении двух протонов большой энергии. Схематично этот процесс показано на рис. 2 (вид вдоль оси протонных пучков, все показанные частицы движутся вбок от этой оси). Каждый протон большой энергии состоит из большого числа партонов — кварков, антикварков и глюонов, которые постоянно рождаются и исчезают внутри него. При встрече двух протонов из всего «облака» партонов, как правило, сталкиваются и разлетаются вбок только по одному из них (этап 1 на рис. 2). Такой «жесткий» процесс изображен на рисунке яркой звездочкой.

Пусть, например, в жестком процессе родилась кварк-антикварковая пара. Кварки несут особую характеристику сильного взаимодействия — «цвет», «цветовой заряд». Когда кварки пытаются вылететь вбок из протона, между этими цветовыми зарядами возникает силовое глюонное поле (этап 2). Только, в отличие от электрических сил, сильное взаимодействие сжимается в трубку — «глюонную струну», которая натягивается между улетающими кварками. В какой-то момент эта струна начинает рваться в разных местах, и в точках разрыва возникают новые кварк-антикварковые пары, которые объединяются попарно в комбинации правильного цвета (этап 3). Эти комбинации затем становятся адронами, а поскольку их ничто не держит рядом друг с другом, они просто разлетаются (этап 4). Так получаются адронные струи.

Теперь обратимся к первой из подмеченных выше закономерностей. Когда происходит жесткий процесс, то поперечный импульс изначально разлетающихся кварков может быть довольно большой, скажем несколько ГэВ. Но глюонная струна их вначале слегка сдерживает, а потом, когда она рвется, она порождает много адронов с маленькими импульсами. В результате средний импульс адронов получается небольшим.

Впрочем, иногда оказывается, что начальный импульс адронов очень большой, скажем десятки ГэВ. Это приводит не только к тому, что адронов нарождается много (число N велико), но и к увеличению их среднего поперечного импульса. Именно это и показывают данные ALICE: чем больше N, тем больше средний импульс.

Рис. 3. При столкновении тяжелых ядер (крупная звездочка) может произойти сразу несколько жестких процессов, каждый их которых порождает свой поток адронов

Почему же в таком случае у ядер другая зависимость, намного более плавная? Тяжелые ядра — это плотные группы протонов и нейтронов. Поэтому, когда сталкиваются два ядра, реально жесткие столкновения могут происходить сразу в нескольких независимых парах встречных протонов и нейтронов (но вовсе не во всех!). Это схематично показано на рис. 3. Общее столкновение ядер друг с другом изображено крупной контурной звездочкой, а независимые жесткие столкновения с рождением кварковых пар показаны, как и раньше, маленькими яркими звездочкам. Каждое такое жесткое столкновение — будь их два, три или двадцать — порождает отдельный поток адронов, но все они более или менее независимы. В результате средний импульс остается не слишком большим, хотя общее количество адронов резко возрастает.

Конечно, после превращения в адроны, эти потоки сливаются в единое «адронное течение», и на этом основаны гидродинамические модели ядерных столкновений. Но всё это происходит позже и не влияет на формирование отдельных адронов, на их импульс и на их количество.

Говоря совсем кратко, в p-p-столкновениях много адронов получается из-за большего импульса, а в ядерных — просто из-за того, что много жестких процессов складывается друг с другом.

Сравнение с теорией: дополнительные тонкости

Рис. 4. Данные ALICE, показанные на рис. 1, в сравнении с несколькими теоретическими моделями рождения адронов. Изображение из статьи arXiv:1307.1094

Это всё были качественные объяснения на пальцах; для более серьезного анализа надо данные сравнить с разными теоретическими расчетами. Это сравнение показано на рис. 4 для каждого типа столкновений.

Тут надо сделать важное отступление о том, что теория может и что не может сказать об адронизации. К сожалению, настоящий теоретический расчет процесса адронизации в современной теории невозможен — это процесс настолько сложный, что он пока не поддается расчету. Трудность тут вовсе не в том, что «надо много считать», а прежде всего в том, что не удается строго теоретически доказать, что адронизация вообще обязана происходить в реальном мире (хотя она всегда происходит!). Одна из математических «проблем тысячелетия», за решение которых Институт Клэя готов выплатить миллион долларов, по сути связана именно с этой задачей.

В такой ситуации теория вынуждена слегка «подстраиваться» под экспериментальные данные. Да, она не может всё вывести, но если ей дать какие-то начальные экспериментальные сведения, помочь ей подобрать некоторые параметры, то дальше она может предсказывать разные зависимости. Это уже получается не строгая теория, а некоторая разновидность моделирования. И опять же к сожалению, результаты этого моделирования могут зависеть не только от самой теории, но и от того, насколько хорошо авторы модели «угадали», что именно и как именно «подстроить», чтобы дальнейшие результаты получались правдоподобными.

В результате, сейчас имеется не одна-единственная теория, а много разных моделей адронизации. С одной стороны, эти модели постоянно уточняются и подстраиваются под уже полученные данные, но с другой стороны, их авторы стараются держать разумный баланс между точностью и предсказательной силой. Ведь если «с потолка» подбирать сложные функции для того, чтобы как можно точнее описать данные, то такая модель будет просто бессмысленной, она не будет иметь никакого отношения к реальной физике.

После этого отступления вернемся к сравнению данных с теоретическими моделями и начнем с протонных столкновений (рис. 4 вверху). Тут приведены результаты моделирования с помощью специального компьютерного пакета PYTHIA 8. Эта модель применялась в двух режимах — без учета и с учетом особого эффекта под названием пересоединение цвета (color reconnection, CR).

Рис. 5. Два жестких процесса в одном протонном столкновении могут иногда сопровождаться явлением пересоединения цвета

Суть этого эффекта проиллюстрирована на рис. 5. Ранее мы говорили, что столкновение протонов порождает один жесткий процесс. Но это не всегда так; иногда пути партонов во встречных протонах удачно пересекаются, и тогда может произойти сразу два (а то и больше) жестких столкновений. Такие события так и называются «многопартонные процессы».

По идее, эти многопартонные процессы могут порождать отдельные потоки адронов так же, как и в ядерных столкновениях. Но тут есть важное отличие: в протонах эти два жестких процесса происходят близко, и потому они иногда влияют друг на друга на самой ранней стадии. В частности, может получиться так, что кварк и антикварк из двух разных жестких процессов случайно вылетают примерно в одинаковом направлении и вдобавок имеют «подходящий» цвет. Но тогда уже нет необходимости создавать длинные глюонные струны, как на рис. 2. Цвет кварка может попросту перемкнуться на соседний антикварк. Вместо двух струн, распадающихся на кучу адронов, у нас сразу родятся всего два адрона с довольно большими импульсами, которые преспокойно разлетятся прочь. То есть процесс пересоединения цвета может одновременно увеличить средний импульс адронов и уменьшить их количество. Как хорошо заметно из рис. 4, он играет важную роль в адронизации, ведь только вместе с ним программе PYTHIA 8 удается неплохо описать данные ALICE.

Это обсуждение — наглядный пример того, как из тщательного анализа «скучных» графиков могут проступать выводы о том, что именно происходит с элементарными частицами в ходе того или иного процесса.

Ядерные столкновения

Обратимся теперь к ядерным и протон-ядерным столкновениям; сравнение данных ALICE и нескольких теоретических моделей тоже показано на рис. 4. Тут интересно заметить, прежде всего, что много моделей — все, кроме модели EPOS — неплохо согласуются друг с другом, но совершенно не попадают на данные. Отсюда можно вынести урок — вовсе не следует слепо доверять консенсусу! Если у вас есть несколько разных моделей, которые предсказывают более или менее одинаковое поведение для какой-то величины, то это еще не гарантирует, что измеривший эту величину эксперимент будет с ними согласен. Тут проступает как неуверенность теории при описании процессов адронизации, так и непредсказуемость природы; и то, и другое — предмет для серьезного изучения.

В отличие от согласующихся друг с другом моделей, модель EPOS стоит особняком, и это только идет ей на пользу. Она намного лучше описывает данные p-Pb, но тоже не попадает в данные чисто ядерных столкновений, правда с другой стороны. Если сравнить ее предсказания для этих двух типов столкновений, то можно заметить, в чем она ошибается. Она «считает», что графики для p-Pb- и Pb-Pb-столкновения начинаются почти одинаково, и только выше N = 20 начинают расходиться. А эксперимент показывает всё наоборот: эти две зависимости сразу идут по-разному, а выше N = 20 следуют примерно одинаковой тенденции. Так что и в этой модели еще есть что «подкручивать».

Кстати, может сложиться впечатление, что авторы EPOS проявили недюжинную смекалку и физическую интуицию, раз их модель насколько превосходит остальные при сравнении с данными. Увы, этот вывод чересчур оптимистичен. Дело в том, что последняя версия модели EPOS вышла всего месяц назад (arXiv:1306.0121), то есть уже после появления экспериментальных результатов не только по p-p и Pb-Pb столкновениям, но и по протон-ядерным процессам. Поэтому можно сказать, что эта модель уже была подстроена с учетом некоторых результатов LHC, но, как видно, пока еще недостаточно хорошо.

Выводы

Несмотря на то, что мы здесь обсуждали только одну характеристику процессов с большим количеством адронов, сравнение результатов ALICE и теоретических моделей уже вскрыло несколько тонкостей процесса адронизации. Видны и в целом понятны общие закономерности; четко вырисовывается важная роль явления пересоединения цвета в протонных столкновениях; видны достоинства и недостатки теоретических моделей. И чисто ядерные, и протон-ядерные столкновения описываются пока плоховато, и над этим теоретикам предстоит еще поработать. Не стоит, впрочем, забывать, что есть и множество других величин, которые измеряются в эксперименте — и коллаборация ALICE в июне-июле выпустила несколько статей на эту тему, — так что при настройке моделей надо учитывать их все.

В заключение хочется обсудить еще вот какой момент. У читателей может возникнуть вопрос: всё это, наверно, интересно, но имеет ли эта новая информация об адронизации хоть какую-нибудь реальную пользу? Да, имеет, только не нужно ожидать, что каждое конкретное научное открытие целиком и полностью порождает какое-то конкретное применение. Хотим мы этого или нет, но природа устроена не так; в подавляющем большинстве случаев связь между открытием и применением вовсе не такая прямолинейная. Обычно многочисленные открытия в какой-то области создают общее понимание целого класса явлений, и уже из этого общего понимания время от времени выкристаллизовываются отдельные приложения. Каждое отдельное практическое приложение обязано своим возникновением сразу многим чисто научным достижениям, а каждое научное достижение может подтолкнуть к реализации сразу несколько заранее не очевидных потенциальных приложений.

Здесь то же самое. Изучая адронизацию, мы лучше понимаем, что происходит с ядерным веществом в разных условиях. Мы оттачиваем модели, которые могут адекватно описывать процессы столкновения адронов и ядер. Мы узнаем, что происходит с ядрами вещества, если их регулярно бомбардировать протонами и другими частицами высокой энергии: какие частицы и в каких количествах при этом рождаются, насколько их радиоактивность опасна для окружающего вещества. Это значит, что мы лучше понимаем радиационную стойкость материалов при жестком облучении. А поскольку такое облучение реально существует в природе в виде космических лучей, мы сможем точнее предсказывать, какой радиационной защитой нужно обеспечить, скажем, пилотируемый космический корабль для полета к Марсу.

Опять же, подчеркнем: не стоит думать, что эта цепочка от экспериментов на LHC до полета на Марс — прямая и единственная. Хорошее понимание радиационной защиты космического корабля требует многочисленных других знаний и экспериментов. Но с другой стороны, есть и много иных разновидностей пользы — как научной, так и практической — от лучшего понимания процесса адронизации. Этот конкретный пример должен лишь послужить простой иллюстрацией того, что практическая польза от фундаментальных исследований есть, что она огромна, но она не расщепляется на отдельные изолированные цепочки «открытие → приложение».

Источник: ALICE Collaboration. Multiplicity dependence of the average transverse momentum in pp, p-Pb, and Pb-Pb collisions at the LHC // arXiv:1307.1094 [nucl-ex].

Игорь Иванов